A Broad Beam Microstrip Patch Antenna Fed by Cavity

Abstract

The antennas technology for space and Geographical Information System (GIS), especially, Low-Earth Orbit (LEO) satellite communication systems have been popularly to investigate. The parabolic reflector is a popular antenna, which is widely used due to high gain. However, the feed horn and their arm are placed at the front of the reflector causing obstruct the aperture and its efficiency is degraded, while the large curvature is generally affected to the aerodynamic of the satellite when launching into the orbit. To solve that problem the novel type of the microstrip array is designed, has essentially no limitation in its dimensions and has much less distortion in its planar shape. This operation is similar to the parabolic reflector that naturally forms a planar phase front when a feed is placed at its focus. The advantaged of the microstrip array are low cost, small size, light weight and easy installation.

Since LEO satellite moves in very high-speed, therefore, time for an earth station communicates with satellite is limited. To overcome these limitations, this research proposes a cavity-backed slot-coupled microstrip array antenna using backscattering technique. To achieve broad-beam and earth-matched beam antenna, phase of each array element in the microstrip array antenna is specific designed to emulate the curvature of the parabolic reflector by using a hybrid method. For analysis and design, CST-Microwave Studio computer programming and a full-wave method of moment are utilized in this research. To validate the proposed concept, C-Band microstrip array antenna will be designed which is based on the developed method of moment analysis tool.The antenna will be realized and experimented to validate the technique and the developing analysis tool.

เทคโนโลยีสายอากาศทางด้านอวกาศและภูมิสารสนเทศโดยเฉพาะการสื่อสารดาวเทียมวงโคจรต่ำได้รับความนิยมในการศึกษาค้นคว้าเป็นอย่างมาก ซึ่งสายอากาศชนิดหนึ่งที่นิยมใช้งานบนดาวเทียมคือสายอากาศตัวสะท้อนพาราโบลิก เนื่องจากให้อัตราการขยายสูง แต่ต้องใช้สายอากาศตัวป้อนสัญญาณและอุปกรณ์จับยึดวางไว้ด้านหน้าของตัวสะท้อนจึงส่งผลกระทบต่ออะเพอร์เจอร์และประสิทธิภาพของสายอากาศให้ลดต่ำลงและเนื่องจากโครงสร้างของสายอากาศที่เป็นผิวโค้งขนาดใหญ่จึงส่งผลกระทบต่อพลวัตของโครงสร้างโดยรวมของตัวดาวเทียมในขณะปล่อยเข้าสู่วงโคจร เพื่อลดปัญหาดังกล่าวจึงได้มีการออกแบบสายอากาศแถวลำดับไมโครสตริปเพื่อให้มีลักษณะราบเรียบ แต่สามารถให้คุณสมบัติเช่นเดียวกับตัวสะท้อนพาราโบลิก ซึ่งสายอากาศดังกล่าวมีข้อดีคือ ราคาถูก ขนาดเล็ก น้ำหนักเบา และติดตั้งง่าย

เนื่องจากดาวเทียมวงโคจรต่ำมีการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง จึงทำให้ระยะเวลาที่สถานีภาค พื้นดินติดต่อกับดาวเทียมมีน้อยมาก ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงนำเสนอการออกแบบสายอากาศแถวลำดับไมโครสตริปแบบเชื่อมร่วมสัญญาณด้วยร่องบนคาวิตี้ โดยใช้เทคนิคการจัดเฟสของสัญญาณให้เกิดคุณลักษณะเสมือนผิวโค้งของสายอากาศตัวสะท้อนพาราโบลิกที่มีการป้อนสัญญาณเข้าที่ด้านหลังตัวสะท้อนโดยใช้การควบคุมเฟสด้วยวิธีผสมผสานเพื่อทำให้เกิดความกว้างลำคลื่นขนาดใหญ่ ซึ่งมีระดับกำลังงานคลื่นแมตช์กับพื้นโลก วิธีการที่ใช้ในการวิเคราะห์คำนวณจะใช้การจำลองปัญหาสายอากาศด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์สำเร็จรูป แล้วนำมาสร้างสายอากาศต้นแบบที่ความถี่ย่าน C-Band เพื่อนำไปวัดทดสอบคุณสมบัติเปรียบเทียบความแม่นตรงกับผลจากการคำนวณและจากโปรแกรมคอมพิวเตอร์สำเร็จรูป